エキシマレーザにより超電導線の大量生産を実現

課題

テープと呼ばれる高温超電導線は、電力網（ケーブル、変圧器、その他のコンポーネント）、装置組込み（NMRスペクトロメータやMRI）で使用され、需要が拡大しています。また、核融合炉が実用化された場合、非常に高い電流密度に対応するために、数千kmにも及ぶ大量のHTSテープが必要になることは間違いありません。初期のHTS製造方法は、生産量とコストに限界があり、限られた定格電流密度のワイヤーしか製造できませんでした。Faraday Factory Japanは、高磁場用途向けのHTSを大量かつ経済的に製造する方法の開発に着手しました。

ソリューション

同社が超電導材料としてYBa2Cu3O7（YBCO）を選んだのは、他のHTS材料よりも高い電流密度に対応できるからです。その後、薄くて丈夫なハステロイ基板を活用して、MgOとYBCOの層を含む多層テープを設計しました。YBCO層の厚さは2.4 μmが最適であることがわかりました。Faraday Factory Japanのチームは、308 nmのエキシマレーザを用いたパルスレーザ成膜法（PLD）を使ってHTS層を形成することを決定しました。これは、化学量論的な膜を成膜する方法として十分に証明されている（元のターゲット物質の組成が成膜に維持されている）からです。Faraday Factory Japanでは、欠陥を最小限に抑えて電流密度を最大化するために、YBCOターゲットに過剰なY2O3を搭載することにしていたので、この点は高磁場用途にとって重要なことでした。Coherent LEAP 300Cエキシマレーザがパルスレーザ成膜（PLD）の光源として選ばれたのには、いくつかの理由があると、Faraday Factory Japanの最高経営責任者であるSergey Lee博士は述べています。「LEAP 300Cでは、高い（1ジュール）パルスエネルギーと、加工を可能にする300 Hzの繰り返し周波数の独自の組み合わせを活用できます。また、LEAPレーザは、産業界で24時間365日の信頼性が確立されています。この組み合わせにより、レーザ1 Wあたりの真のコストを最小限に抑え、より低コストで大量のHTSワイヤーを製造することができます」。

成果

この費用対効果の高いアプローチを用いて、Faraday Factory Japanは最近、SPARC核融合炉プロトタイプに使用する300 km以上のHTSワイヤーを納入しました。これは、これまでにサプライヤーから納入された中でも最大のHTSワイヤー納入量です。また、独自のテストでは、高磁場下で優れた電流密度を扱うことが示されました。

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